Sensor RTD, Termorresistencia PT100 – Información Técnica
¿Qué es un Pt100 sensor RTD, termorresistivo de temperatura Pt100?
Una sensor RTD o termorresistencia Pt100 es un tipo de sensor utilizado en una amplia variedad de aplicaciones de medida de temperatura. Existen muchos modelos de termorresistencias, pero la más utilizada es la conocida como Pt100, disponible en una amplia gama de diseños y diferentes tipos de acabado, lo que la convierte en una magnifica opción para realizar una medida precisa de temperatura en la industria, laboratorios, ensayos, etc…
Sensores Pt100
Casquillo,diám. 1.5 a 8.0mm
Gran selección de casquillos lisos y roscados suministrados con cable de extensión (PVC, FEP, fibra de vidrio, etc.)
Conector Miniatura Macho, diám. 1.5 a 3.0mmTerminación conector miniatura macho que soporta hasta 220ºC o 350ºC
Conector Estándar Macho, diám. 0.25 a 8.0mmTerminación conector estándar macho que soporta hasta 220ºC o 350ºC
Conector Lemo,diam. 1.5 a 6.0mm
Conector Lemo, macho o hembra, tamaño 1
Terminación roscada,diam. 1.5 a 8.0mm
Racor M16 x 1.5mm, con cable de extensión (PVC, FEP, fibra de vidrio, etc.)
Cabezal de aleación fundida, diam. 3.0 a 6.0mmCabezal roscado de aleación fundida con zócalo cerámico. Disponible en formato simple y doble.
Cabezal miniatura IP67 de aleación fundida, diam. 3.0 a 8.0mmCabezal de aleación fundida para intemperie, con tapa roscada y zócalo cerámico. Disponible en formato simple y doble
Cabezal estándar IP67 de aleación fundida, diam. 4.5 a 8.0mmCabezal de aleación fundida para intemperie, con tapa roscada y zócalo cerámico. Disponible en formato simple, doble y triple
Cabezal robusto IP67 de hierro fundido, diam. 4.5 a 8.0mmCabezal de hierro fundido para intemperie, con tapa roscada y zócalo cerámico. Disponible en formato simple, doble y triple
TERMOMETRÍA MEDIANTE RESISTENCIA DE PLATINO
La resistencia que muestra un conductor eléctrico frente al flujo de una corriente eléctrica está relacionada con su temperatura, principalmente debido a los efectos de dispersión de electrones y vibraciones de la red atómica. Esta teoría se basa en el hecho de que los electrones libres viajan a través del metal en forma de ondas planas modificadas mediante una función, teniendo la periodicidad de la red cristalina.
El único inconveniente es que las impurezas y los llamados defectos de red también pueden dar lugar al efecto de dispersión, produciendo variaciones de resistencia. Afortunadamente, este efecto depende en gran medida de la temperatura, por lo que no supone un problema demasiado grande, tan sólo se debe tener en cuenta.
De hecho en la práctica, el concepto de medir la temperatura mediante la utilización de termorresistencia es más sencillo que el de la termometría mediante termopares. En primer lugar la medida es absoluta, ya que no requiere una compensación de la unión de referencia o de la unión fría. En segundo lugar, se pueden usar cables de cobre entre el sensor y la instrumentación asociada, ya que no existen requisitos especiales al respecto.
La primera experiencia de la que se tiene constancia sobre la medición de la temperatura mediante resistencia tuvo lugar durante la década de 1860 y la realizó Sir William Siemens. A partir de 1870 y durante bastante tiempo, se fabricaron termómetros basados en este efecto. No obstante, a pesar de utilizar platino (el material más comúnmente utilizado en termometría mediante termorresistencia en la actualidad) las fórmulas de interpolación propuestas eran inadecuadas.
La estabilidad también suponía un problema, debido principalmente a los métodos de construcción, realizando la fijación de una sustancia refractaria dentro de un tubo de hierro, dando como resultado la expansión diferencial y la deformación del platino además de los problemas derivados por la contaminación. Callendar continuó experimentando pero no se resolvieron las dificultades hasta 1899, cuando se comenzaron a utilizar de forma habitual las termorresistencias de platino.
Actualmente, el hecho de realizar la medida de temperatura mediante variaciones de resistencia se acepta si la relación de la temperatura con la resistencia es uniforme, predecible y estable. Para conseguir estos requisitos es imprescindible que el material que se utilice como sensor termorresistivo sea lo más puro posible (mínimas impurezas), como ocurre con algunos de los metales puros cuya resistencia depende casi por completo de la temperatura.
La rigurosidad que impone un estudio serio de termometría debe tener en cuenta la resistencia que se produce por falta de pureza y además debe mantenerse constante, de esta forma podemos llegar a ignorarla. Esto significa que la composición física y química se debe mantener invariable.
El material termorresistivo debe mantenerse en unas condiciones que permitan una excelente fijación sobre el sustrato donde está depositado para evitar deformaciones, también debe estar protegido para evitar cambios químicos en la composición del material.
Dependiendo de la precisión que se requiera, la relación existente entre el valor óhmico de la termorresistencias de platino y la temperatura cumple la siguiente ecuación cuadrática:
Rt/R0 = 1 + At + Bt2 (para t > 0ºC)
Rt/R0 = 1 + At + Bt2 + Ct3(t-100) (para t < 0ºC)
Siendo:
t = temperatura en ºC
Rt = valor resistivo a la temperatura t
R0 = valor resistivo a 0ºC
A, B y C = coeficientes constantes
Para la normativa IEC 60751 los valores de las constantes son:
A = 3.9083 x 10-3 ºC-1
B = -5.775 x 10-7 ºC-2
C = -4.183 x 10-12 ºC-4
Incluso esta ecuación de tercer grado es imperfecta. La escala ITS-90 introduce otra ecuación de referencia bastante más compleja, con polinomio de 20 términos, para temperaturas superiores a 200ºC.
Por tanto despejando la temperatura, obtenemos:
t = (1 /α )(Rt - R0)/R0+ δ(t /100)(t /100 - 1)
El coeficiente a equivale a (R100 - R0)/(100*R0), define la pureza y el estado de templado del platino y básicamente es el coeficiente de temperatura media de la resistencia entre 0 y 100ºC (pendiente media de la resistencia frente a la curva de temperatura en este intervalo). Mientras que d es el coeficiente que describe la salida de linealidad en el mismo rango. Depende de la expansión térmica y de la densidad de las curvas de estado cercanas a la energía Fermi. De hecho, ambos coeficientes dependen de la pureza del hilo de platino. Para platino de alta pureza en un estado templado, el coeficiente a se encuentra entre 3.925x10-3/ºC y 3.928x10-3/ºC.
Para las termorresistencias de platino fabricadas a nivel comercial, se han creado tablas estándar de resistencia frente a temperatura, basadas en un valor resistivo R de 100 ohmios a 0ºC y en un intervalo fundamental (R100-R0) de 38.5 ohmios (coeficiente α de 3.85x10-3/ºC) utilizando platino puro dopado con otro metal (ver capítulo 2, sección 6). Las tablas se pueden conseguir bajo la normativa IEC 60751: 1983, clases de tolerancias A y B (la curva característica de temperatura-resistencia y tolerancias para detectores resistivos según la normativa IEC 60751, se encuentra en este manual).
MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE TERMORRESISTENCIAS
Existen varios materiales que cumplen los principales requisitos elementales para proporcionar una temperatura predecible, uniforme y estable con relación a la resistencia. Entre ellos se encuentran los siguientes: cobre, oro, níquel, platino y plata. De estos el cobre, el oro y la plata tienen bajos valores de resistividad eléctrica, por lo cual son menos aconsejables para su utilización en la fabricación de termorresistencias. El cobre muestra una relación prácticamente lineal frente a la temperatura, por este motivo y gracias a su bajo coste se utiliza en diversas aplicaciones, teniendo en cuenta que por encima de temperaturas moderadas tiende a oxidarse y generalmente no presenta una buena estabilidad y repetibilidad. No obstante, presenta un buen comportamiento en aplicaciones donde se requiere una medición de temperatura dentro del rango de -100ºC a 180ºC.
El níquel y sus aleaciones también tienen un coste relativamente bajo y una resistencia alta frente a la temperatura, por lo que son muy sensibles. No obstante, se caracterizan por su baja linealidad respecto a la temperatura y su facilidad de deformación. También muestran una importante falta de linealidad cerca del punto de Curie (358ºC) lo cual complica las expresiones de cálculo de resistencia frente a la temperatura alrededor de este punto. Por lo tanto este tipo de material está restringido dentro de un rango de temperatura aproximado de -100ºC a 180ºC.
Esto nos acerca al platino, que debido a sus considerables ventajas respecto a los otros materiales es el más adecuado para su utilización como termorresistencia. En primer lugar, al ser un metal precioso tiene un amplio rango de temperatura. En segundo lugar, su resistencia es seis veces superior a la del cobre. En tercer lugar, tiene una relación resistencia-temperatura razonable, aunque no es completamente lineal. En cuarto lugar, se obtiene en estado muy puro y permite transformarlo fácilmente en hilos finos o tiras de forma muy reproducible, consiguiendo que la producción de estos sensores posea la misma respuesta.
Aunque el platino es un metal precioso y por lo tanto no es económico, tan sólo se requieren pequeñas cantidades para la fabricación de termorresistencias, por lo que su precio no es un factor significativo a la hora de calcular el coste global. El aspecto negativo es su susceptibilidad a la contaminación, sobre todo cuando está sometido a temperatura, por lo que se debe seleccionar cuidadosamente el soporte y los materiales del encapsulado. El tratamiento térmico de fabricación de estas termorresistencias es especialmente importante en vista de la presencia de defectos de pureza del material, que están presentes en todo el rango de temperaturas a no ser que se eliminen mediante recocido.
También se utilizan habitualmente los denominados termistores, semiconductores fabricados a partir de metal-óxido, que mediante métodos de fabricación tecnológicamente avanzados consiguen una respuesta no lineal aceptable que cubre un amplio rango de temperatura. No obstante, no existe normativa sobre estos y están más allá del alcance de esta guía.
Así mismo se utilizan resistencias de película de molibdeno con rangos útiles y estables alrededor de los -50ºC a 200ºC o de germanio inferiores a 100K y especialmente a 10K donde la resistividad del platino es demasiado pequeña a efectos prácticos.
En breve profundizaremos en el estudio de las termorresistencias de carbono-cristal que muestran coeficientes de temperatura negativos y una alta sensibilidad a temperaturas muy bajas. Es interesante hacer mención sobre la aleación rodio-hierro especialmente indicadas para temperaturas bajas hasta 0.5K.